Biologie I 3. přednáška Viry Biologická membrána
Viry objeveny na konci 19. století, nejjednodušší formy života Virus is a little piece of bad news wrapped in a protein sir Peter Medawar mohou napadat prokaryotní i eukaryotní buňky nukleová kyselina + proteinový obal (někdy +membrána) živé nebo neživé??? neštovice slintavka a kulhavka kranasi postižení virem TIV brambora poškozená virem rodu Tobravirus žampiony poškozené virem X 4 E. coli atakovaná T4 fágy Virology: Principles and Applications John B. Carter and Venetia A. Saunders, 2007 John Wiley & Sons, Ltd ISBNs: 978-0-470-02386-0 3/2
Viry živé nebo neživé??? nukleová kyselina + proteinový obal (někdy +membrána) nemají vlastní mechanismus genové exprese proteosyntetický aparát enzymy energetického metabolismu časovou kontinuitu (virion nevzniká z virionu) alespoň jednu molekulu, která by byla společná všem virům nemohou se množit nebo metabolizovat mimo hostitelskou buňku vypůjčený život parazité mohou napadat jenom některé specifické buněčné typy v rámci daného organismu, ale některé mají velmi široký hostitelský rozsah (západonilský virus komár, ptáci, kůň, člověk) napadení může být pro buňku letální neštovice slintavka a kulhavka kranasi postižení virem TIV brambora poškozená virem rodu Tobravirus Virology: Principles and Applications John B. Carter and Venetia A. Saunders, 2007 John Wiley & Sons, Ltd ISBNs: 978-0-470-02386-0 žampiony poškozené virem X 4 E. coli atakovaná T4 fágy 3/3
Viry 1883 - Adolf Mayer infekční onemocnění přenosné extraktem napadené rostliny 1892 - Dimitrij Ivanovskij toxin / zlá síla (lat. virus) je infekční i po filtraci přes porcelán, kterým bakterie neprojde 1898 - Martinus Beijerinck v cyklech infekce/extrakce neztrácí zlá síla na síle = není to toxin, ale cosi co se v rostlině reprodukuje nakažlivá živoucí tekutina 1898 virus slintavky a kulhavky (první živočišný) 1900 virus žluté zimnice (první lidský) 1911 Rousův sarkom (první způsobující nádorové bujení) 1935 - Wendell Stanley krystalizace infekčních částic viru tabákové mozaiky 1939 první elektronmikroskopický snímek viru 3/4
Viry struktura velikost genomu 1,7 kb 1000 kbp lineární i cirkulární, jedno- i dvouřetězcové, RNA i DNA velikost virových částic 17 1000 nm (největší jsou viditelné i pod světelným mikroskopem) tvar virových částic nejčastěji helikální nebo symetrické mnohostěny (ikosahedron dvacetistěn) Biology 6ed (Raven, Johnson), McGraw-Hill, 2002 3/5
Viry struktura tvar virových částic nejčastěji helikální nebo symetrické mnohostěny (ikosahedron dvacetistěn) Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8 3/6
Viry klasifikace podle typu nukleové kyseliny, podle přítomnosti membránových obalů DNA ds Adenoviridae bez obalů Papilomaviridae Iridoviridae Herpesviridae obalené Poxviridae Hepadnaviridae ss bez obalů Parvoviridae respirační onemocnění, rakovina bradavice, rakovina děložního hrdla africký mor prasat, duhovité zbarvení larev hmyzu opary (Herpes simplex), EB virus (mononukleóza až Burkittův syndrom), KSHV (nádory), Roseolovirus (6. nemoc) variola (pravé neštovice) hepatitida B kočičí mor (kočičí panleukopenie), vyrážky, viry provázející adenoviry, u lidí bez příznaků ds bez obalů Reoviridae průjmová onemocnění, respirační onemocnění, rakovina Birnaviridae virus nekrózy pankreatu RNA ss slouží jako mrna templát pro syntézy mrna templát pro syntézu DNA bez obalů Picornaviridae žloutenka typu A, rhinovirus (rýma), poliovirus (obrna) Caliciviridae Norovirus (gastritida) Coronaviridae SARS obalené Flaviviridae žlutá zimnice, západonilský virus, žloutenka typu C Togaviridae zarděnky Filoviridae Ebola (hemorrhagická horečka) obalené Orthomyxoviridae chřipka Paramyxoviridae příušnice, spalničky Rhabdoviridae vzteklina obalené Retroviridae HIV, leukémie 3/7
Viry 3/8
Viry LUCA teorie kam zařadit???? nemají ribosomy nejde porovnat velmi variabilní, pp. není jediný prapředek 3/9
Viry reprodukce virů základní vlastnosti virů: celý virový genom je umístěn uvnitř částic, které zprostředkovávají jejich přenos mezi hostiteli virový genom obsahuje informaci pro iniciaci a dokončení infekčního cyklu uvnitř napadených buněk to zahrnuje připojení k buňce a vstup do ní, dekódování genové informace viru, replikace virového genomu, složení a uvolnění virových částic všechny úspěšné viry jsou schopné se rozšířit v populaci tak, že je umožněno další šíření 3/10
Viry reprodukce virů Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 3/11
Viry reprodukce virů RNA viry Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 3/12
Viry reprodukce virů - HIV Napadá buňky nesoucí - receptory CD4 (CD4 + ) a receptor CCR5 (makrofágy) nebo CXCR4 (T buňky) CD4+gp120 = adheze vazba na CCR5 nebo CXCR4 konfomační změna fůze obalu s b. membránou vstup kapsidy do buňky Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 3/13
Viry reprodukce virů - HIV Na základě znalostí buněčných procesů při reprodukci viru lze navrhnout cílená léčiva Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 3/14
Viry chřipka nejletálnější virus v historii lidstva ssrna, obalený membránou typy A většina vážných epidemií, napadá člověka, ptáky, savce B - málo časté, napadá člověka, fretky a tuleně, pomalá mutace, nejsou známy epidemie C málo časté, napadá člověka, vepře, psy, občas lokální epidemie a závažnější průběh onemocnění, ale běžně pouze lehké příznaky subtypy vzniklé mutacemi ve variabilních regionech molekul hemaglutininu a neuraminidasy typ A známo 16 subtypů H a 9 subtypů N rekombinace H a N nové viry nerozpoznané imunitním systémem neuraminidasa prostup hlenem, uvolnění nových částic z buňky hemaglutinin vazba na gp receptory, vstup do buněk Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 3/15
Viry chřipka subtypy a jejich změny změny obvykle v prasatech nebo ptácích infikovaných více než jedním typem chřipky, může dojít k rekombinaci vedle toho možnost mutací vznik nového vysoce patogenního subtypu schopného efektivně infikovat lidské buňky H2N2 ruská chřipka 1891 (asi 1 milion mrtvých) H2N2 asijská chřipka 1957 (0,8 1,5 milionu úmrtí) H3N2 hongkongská chřipka 1968 (přes 700 tis. úmrtí) H5N1 ptačí chřipka 1997 (50% úmrtnost) H1N1 španělská chřipka 1918 (40 50 milionů úmrtí) zároveň i prasečí chřipka 2009 (méně agresivní, běžný počet úmrtí, ale neobvyklé věkové rozložení infikovaných) 3/16
Viroidy, satelity a priony satelity viriony, které potřebují koinfekci s jiným virem malá kapsida bez membránového obalu inkorporován do mimivirové částice spolu infikují améby virofágy Sputnik 18 kbp dsdna 3/17
Viroidy, satelity a priony viroidy cirkulární krátké úseky RNA (několik set nukleotidů) bez proteinového obalu nekódují žádné proteiny objeveny 1971 v souvislosti s onemocněním brambor 2 skupiny Pospoviroidae a Avsunviroidae infekce rostlin poruchy kontrolních mechanismů abnormální vývoj, zpomalený růst významná je prostorová struktura RNA zřejmě využívají rostlinné sirna na ovlivnění genové exprese nebo interagují s mrna, tvorba dsrna, která je degradovaná množení metodou valivé kružnice vznik dlouhých multimerů, štěpeny na monomery a ty spojovány do kruhů infekce sousedních buněk transport plasmodesmaty a floemem nedávná epidemie viroidního onemocnění na Filipínách zničila minimálně 10 milionů kokosových palem 3/18
Viroidy, satelity a priony priony infekční proteinové částice špatně sbalený prionový protein indukuje vznik špatného sbalení u ostatních prionových proteinů prionový protein běžně přítomen v savčím organismu, neznámá funkce myši s knock-outovaným prionovým proteinem neonemocní nemoc šílených krav - BSE (bovinní spongiformní encefalopatie) kuru scrapie CJD (Creutzfeldt-Jakob disease) přenos z potravy nebo krví a krevními produkty pomalejší reakce, inkubační doba až 10 let vakuolizace buněk nervové tkáně, ukládání amyloidu, vznik neurodegenerativního onemocnění Virology Principles and Applications (Carter J, Saunders V, Wiley, 2007, ISBN 978-0-470-02386-0) 3/19
Biologická membrána Chlorobium tepidum Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. Prokaryota jeden kompartment invaginace plazmatické membrány - mezozomy až intracelulární váčky (chlorosomy) - zvětšení povrchu, zakotvení enzymů aktivních v energetickém metabolizmu, např. fotosyntéze) Eukaryota více kompartmentů 1 000 10 000 větší objem buňky malý poměr povrchu k objemu membránové organely oddělení biochemických reakcí a intracelulární vesikulární transport látek 3/20
Biologická membrána Význam Morfologický oddělení vnitřního prostředí buňky od okolí rozdělení vnitřku na jednotlivé kompartmenty Funkční regulace výměny hmoty vnitřku buňky nebo kompartmentu s okolím zachování rozdílných koncentrací iontů na jednotlivých stranách komunikace buňky a okolí pomocí chemických a fyzikálních signálů Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 3/21
Biologická membrána Složení Lipidy (25-70%) fosfolipidy, cholesterol Proteiny 30-75% obvykle 50% hmotnosti Sacharidy do 10% glykolipidy a glykoproteiny Lipoproteiny Voda Ionty Složení se liší podle organismů, tkání i částí buněk, fáze životního cyklu buněk Asymetrie mezi jednotlivými vrstvami složky (v hmotnostních %) proteiny fosfolipidy steroly lidská buňka z myelinové pochvy neuronů 30 30 19 myší jaterní buňka 45 27 25 list kukuřice 47 26 7 kvasinka 52 7 4 prvok 56 40 4 E. coli 75 25 0 Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 3/22
Biologická membrána rozdíly ve složení rozdílné složení membrán různých organel a tkání rozdílné složení vnitřní a vnější vrstvy lokální rozdíly v zastoupení složek membrány lipidové rafty 3/23
Biologická membrána mikrodomény Lipidové rafty Kaveoly Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 3/24
Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 Biologická membrána model fluidní mozaiky Stabilita membrány zajišťována převážně nekovalentními interakcemi mezi molekulami membrány a interakcí dvojvrstvy s vodným prostředím Molekuly lipidů směřují přibližně kolmo na plochu membrány, polární hlavice směřují k vodnému prostředí, uhlovodíkové řetězce do hydrofobního core Molekuly membrány se mohou volně laterálně pohybovat Lipidy mohou přecházet mezi jednotlivými monovrstvami pomocí flip-flopas, energeticky náročné Proteiny mohou být periferní, integrální a s lipidovou kotvou Asymetrie ve složení i struktuře membrány Při pohybu složek membrány vznikají přechodné póry, rychle zacelovány 3/25
Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) Biologická membrána ovlivnění fluidity membrány vliv mastných kyselin delší řetězec Tm trans vazba Tm cis dvojná vazba Tm (maximální efekt uprostřed řetězce) větvené, hydroxylované MK Tm vliv druhu fosfolipidu PC má přechodný stav PE má Tm asi o 20 C nižší než PC tekutý krystal fosfolipidy s nábojem jsou citlivé na iontovou sílu a ph relativní pohyb lipidů gel 25 30 35 40 45 50 deg C Teplota fázového přechodu (bod tání) neuspořádaná uspořádaná hydrofilní přítomnost cholesterolu nízké teploty zvýšení fluidity vyšší teploty snížení fluidity 3/26
Biologická membrána vznik membrány z lipidových molekul samovolná organizace lipidových molekul na základě hydrofobních interakcí vzniklé útvary závisí na tvaru lipidových molekul liposomy Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 3/27
Biologická membrána pohyb v membráně Rotační pohyb nepolárních řetězců a molekul lipidů Laterální difuze charakterizována difuzními koeficienty D = 10-10 - 10-7 cm 2 /s Přesun mezi vrstvami dvojvrstvy samovolně pomalý umožněn enzymy Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 3/28
Biologická membrána fúze membrán nutná pro mnoho biologických jevů neprobíhá samovolně fúzní proteiny signál pro spojení membrán vznik lokálních zlomů v membráně 1. rozpoznání membrán 2. dostateční přiblížení a odstranění molekul vody asociovaných s polárními hlavicemi 3. lokální narušení struktury 4. spojení vnějších polovrstev 5. spojení vnitřních polovrstev, vznik kontinuální dvojvrstvy dobře prostudované jevy: fúze membrán při vstupu obalených virů do buněk uvolnění neurotransmiterů exocytosou Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 3/29
Biologická membrána membránové proteiny funkce strukturní, katalytické a transportní membránové proteiny jsou často glykosylované, cukr vždy na necytosolické straně struktury interagující s membránou - v hydrofobní oblasti membrány jsou na povrchu hydrofobní aminokyselinové zbytky - několik typů prostorových struktur Interakce proteinů s membránou Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 3/30
Biologická membrána glykokalyx ochranný plášť živočišné buňky na sacharidy bohatá vrstva vně buňky obsahuje glykoproteiny a proteoglykany ve struktuře sacharidů uložen rozpoznávací signál pro receptory (lektiny) jiných buněk (např. adsorce neutrofil na endotel cévní stěny jako první krok transportu do místa infekce) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 3/31
Biologická membrána - transport proč se transportuje? membrána neprostupná pro většinu polárních molekul, ionty, vodu je zapotřebí: udržovat gradienty iontů na membráně transportovat dovnitř živiny transportovat ven odpadní látky komunikovat s okolím transportní proteiny tvoří až 30% všech membránových proteinů transport nízkomolekulárních i vysokomolekulárních látek Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 3/32
Biologická membrána - transport podle mechanismu: volná difuse (nespecifická permeace) transport trvalými i nespecifickými póry transport mechanismem exo- a endocytosy usnadněná difuse pomocí specifických přenašečů podle energetických nároků: aktivní pasivní Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 podle počtu transportovaných molekul a směru přenosu uniport kotransport (symport, antiport) 3/33
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. Biologická membrána - transport podle energetických nároků: aktivní pasivní ovlivněno nejenom koncentrací, ale i nábojem (pro transport nabitých látek) 3/34
Biologická membrána - transport Pasivní transport difuze a usnadněná difuze difuze přímo přes lipidovou část membrány plyny, uhlovodíky, steroidy rychlost úměrná ploše membrány usnadněná difuze proteinové přenašeče nespecifické trvalé póry poriny, štěrbinová spojení specifické přenašeče není zapotřebí dodávat energii - permeasy, translokasy, specifické kanály, saturační kinetika, možnost regulace Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 3/35
Biologická membrána - transport Specifické póry skrz membránu Akvaporiny Chemicky řízené kanály Rychlý transport vody skrz membránu Na základě osmotického tlaku Elektricky řízené kanály Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008 3/36
Biologická membrána - transport K + kanál Specifické póry skrz membránu K + ionty (poloměr 1,33 A) procházejí 10 000 x rychleji než Na + ionty (poloměr 0,95 A) 3/37
Biologická membrána - transport Aktivní transport primární a sekundární Energie buď z hydrolýzy ATP, ze slunečního záření, oxidativních reakcí nebo současným transportem látky po elektrochemickém gradientu Závislost rychlosti na teplotě Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 3/38
Biologická membrána - transport Aktivní transport primární a sekundární sekundární aktivní transport antiport sodných iontů a glukosy energie z transportu sodných iontů primární aktivní transport antiport sodných a draselných iontů energie z hydrolýzy ATP Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 3/39
Biologická membrána - transport transport velkých částic přes membránu exocytosa 3/40
Biologická membrána - transport transport velkých částic přes membránu endocytosa fagocytosa pinocytosa receptory zprostředkovaná endocytosa 3/41
Biologická membrána - transport osmotické jevy na membránách propustných pouze pro rozpouštědlo v porovnání s prostředím v buňce: hypertonické obsahuje více rozpuštěných látek, bude nasávat vodu z buněk izotonické obsahuje shodné množství rozpuštěných látek, nebude ovlivňovat množství vody v buňkách hypotonické obsahuje méně rozpuštěných látek, voda se bude nasávat do buněk 3/42
Biologická membrána - transport osmotické jevy udržování osmotické rovnováhy kontraktilní vakuola sbírá vodu z různých částí buňky, odvádí ji do centrální části vakuoly a přes póry pumpuje ven isoosmotická regulace - mořští živočichové přizpůsobili vnitřní koncentrace vnějšímu prostředí, suchozemští mají koncentrace v buňce odpovídající složení tekutin omývajících buňky (krev, ) turgor většina rostlinných buněk je oproti vnějšímu prostředí hypertonická, vysoké koncentrace solí ve vakuole, plasmatická membrána je pevně přitisknutá k buněčné stěně, pro zachování pevnosti buněk a udržení tvaru rostliny Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 3/43